Características del espectro electromagnético

El espectro electromagnético (o simplemente espectro) es el rango de todas las radiaciones electromagnéticas posibles. El espectro de un objeto es la distribución característica de la radiación electromagnética de ese objeto.

El espectro electromagnético se extiende desde las bajas frecuencias usadas para la radio moderna (extremo de la onda larga) hasta los rayos gamma (extremo de la onda corta), que cubren longitudes de onda de entre miles de kilómetros y la fracción del tamaño de un átomo. Se piensa que el límite de la longitud de onda corta está en las cercanías de la longitud Planck, mientras que el límite de la longitud de onda larga es el tamaño del universo mismo, aunque en principio el espectro sea infinito y continuo.

En los fenómenos de reflexión y refracción de la luz que estudiamos en la lección anterior,

resulta razonable pensar que los rayos de luz se mueven en línea recta sin desviarse. En estos casos, el modelo de Newton que considera la luz como partículas pareciera adecuado. Sin embargo, desde la época de Newton se conocían otros fenómenos luminosos que no podían explicarse a partir de este modelo. Un experimento que fue hecho tanto por Newton como por Hooke consiste en iluminar una superficie con una cierta curvatura (como una lente de contacto) colocada sobre una superficie plana de manera que quede una delgada capa de aire entre ellas. Lo que se observa es un patrón de anillos circulares de distintos grosores, unos iluminados y otros oscuros. La repetición de estos anillos, que se conocen ahora como anillos de Newton, hizo pensar al este científico que algo en la luz parecía comportarse periódicamente. Este fenómeno se conoce ahora como interferencia de la luz.

Esta idea se acentuó aún más al observar otro fenómeno, conocido ahora como difracción de la luz, descubierto por el científico Francesco M. Grimaldi. Grimaldi utilizó la luz que pasaba a través de un orificio diminuto en una persiana para iluminar un pequeño objeto, observando que la sombra que proyectaba no era nítida sino difusa.

Además, observó la formación de bandas coloreadas iluminadas que alternaban con bandas oscuras. Este experimento indicaba que al iluminar un cuerpo opaco con una fuente de luz muy pequeña, la luz pareciera doblarse al pasar por los bordes del objeto. No obstante estos resultados, Newton siguió convencido de que su modelo corpuscular de la luz era correcto.

Sin embargo, no todos los científicos estaban de acuerdo con que la luz fuera un flujo de partículas. En Holanda, Christian Huygens propuso que la luz no eran partículas, sino ondas. Debido al gran prestigio de Newton, aunque el trabajo de Huygens llegaba a resultados interesantes no tuvo una repercusión muy grande en su época, pero sembró ideas que serían retomadas más adelante.

Como recordarás, una onda es una perturbación que se propaga en un determinado medio. Sus características nos permiten explicar fenómenos como el sonido. El sonido es una onda que se propaga en el aire y, por tanto, cuando se produce, lo que ondula es precisamente el aire. De manera similar, cuando agitamos el extremo de una cuerda producimos una onda que viaja a lo largo de ella. En este caso lo que ondula es la cuerda misma y aunque en cada punto esta se mueve de arriba hacia abajo, la cuerda en sí no se desplaza en la dirección del movimiento de la onda.

La teoría ondulatoria de la luz fue retomada más adelante por el físico Thomas Young, quien efectuó una serie de experimentos cuidadosos con haces de luz y fue capaz de explicar la formación de los anillos de Newton a partir de un modelo ondulatorio de la luz. La explicación de Young se basaba en el fenómeno de interferencia que se conocía bien para el caso de ondas mecánicas, como las formadas en superficies de agua. Así, las bandas oscuras en los anillos de Newton se deben a que en ese punto las ondas de luz interfieren de manera destructiva, es decir, una cresta de la onda coincide con el valle de otra onda de manera que ambas ondas se anulan, es decir, la amplitud de la onda resultante es cero y el resultado es una región oscura.

Onda electromagnética

Después de los trabajos de Young, aunque quedaba claro que un modelo ondulatorio describía los fenómenos luminosos, surgía la pregunta de qué era lo que ondulaba para que la luz pudiera propagarse. Quien respondió esta pregunta y terminó de demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz fue el gran físico escocés James Clerk Maxwell. Con una habilidad prodigiosa, desarrolló una teoría matemática que conjuntaba los resultados de los fenómenos electromagnéticos de Oersted, Ampère y Faraday, y encontró que las ecuaciones que describían el comportamiento tanto del campo magnético como del eléctrico eran las mismas que describían los fenómenos ondulatorios.

Él descubrió que cuando un campo magnético varía, produce un campo eléctrico, mientras que la variación de un campo eléctrico da como resultado un campo magnético. Encontró que la velocidad con la que se propagaba el campo electromagnético era precisamente la velocidad de la luz. Sus resultados lo llevaron a predecir que la luz es una onda y a responder que lo que ondulaba al propagarse la luz era el campo electromagnético.

Unos pocos años después de la muerte de Maxwell, el físico alemán Hendrich Hertz (1857-1894) demostró experimentalmente la existencia de las ondas electromagnéticas. Además, sus experimentos demostraron que era posible que las ondas electromagnéticas tuvieran distintas frecuencias y longitudes de onda (figura 4.66). Recuerda que la frecuencia y la longitud de onda son inversas, es decir, las ondas con frecuencia baja tienen longitud de onda larga mientras que las de frecuencia alta tienen longitud de onda corta.

En la actualidad, se llama espectro electromagnético al conjunto de todas las ondas con distintas frecuencias o longitudes de onda (fi gura 4.67). Mientras más alta es la frecuencia, las ondas son más energéticas y, por tanto, capaces de atravesar distintos materiales. Entre las ondas de mayor frecuencia y más energéticas se encuentran los rayos gamma y los rayos X, que pueden tener frecuencias mayores a 1017 Hz y longitudes de onda menores a 10-7 cm.

Al otro lado del espectro se encuentran las ondas de radio, que pueden tener frecuencias del orden de megahertz (103 Hz) o kilohertz (106 Hz) y longitudes de onda que van de kilómetros a metros. En la región intermedia están las microondas, las infrarrojas, la luz visible y las ultravioletas.